Позитроны рождаются во Вселенной постоянно: в космических взрывах, при столкновениях частиц, при радиоактивном распаде. Но это — короткоживущие частицы. Стоит позитрону встретить электрон, и обе частицы аннигилируют. Чтобы основательно изучать позитрон, нужно полностью изолировать его от вещества. Но сначала его надо затормозить: при распаде он вылетает почти со скоростью света. «Главная трудность в том, чтобы "уговорить" позитрон, вылетевший из ядра с огромной энергией, замедлиться настолько, чтобы его можно было поймать», — объясняет руководитель работы Джеральд Габриэлс.
Физики поймали частицу антиматерии и держали ее в ловушке несколько месяцев
Физики Северо-Западного университета (США) поймали одиночный позитрон — античастицу электрона, — и удерживали его в криогенной ловушке несколько месяцев. Им удалось охладить частицу до основного квантового состояния и переводить ее с уровня на уровень по одному кванту. Это открывает путь к сверхточному измерению магнитного момента позитрона и проверке одной из базовых симметрий природы.
Абстрактная иллюстрация, изображающая заряженную частицу, удерживаемую электромагнитными полями. dani3315
Ловушка для частиц. В 1989 году Нобелевскую премию по физике получили Ханс Демельт и Вольфганг Пауль за методы удержания отдельных частиц в ловушках. Демельт годами держал одиночный электрон в ловушке. В 1987 году его группа сравнила магнитные моменты электрона и позитрона. Нынешний опыт продолжает эту линию на новом, квантовом уровне точности.
Первое наблюдение позитрона — след в камере Вильсона, сфотографированный в 1932 году.
Источником позитронов в новом эксперименте служил радиоактивный изотоп натрия, испускающий позитроны с энергией до 546 кэВ. Тормозили их веществом, кристаллом вольфрама. Большинство частиц в нем гибнет, но немногие выходят наружу медленными, связавшись с электроном в так называемый позитроний: в сильно возбужденном состоянии электрон и позитрон держатся далеко друг от друга, и такой «атом» живет достаточно долго, чтобы долететь до ловушки. Через отверстие шириной 640 микрометров он попадает внутрь, где электрическое поле отрывает электрон. Позитрон остается в ловушке, охлажденной до 300 милликельвинов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Подтверждение Стандартной модели
Экспериментальная установка для улавливания одного позитрона, демонстрирующая, как позитроны из радиоактивного источника натрия замедляются вольфрамовым кристаллом перед попаданием в ловушку Пеннинга.
В магнитном поле, который создает ловушка, позитрон движется по крошечным окружностям. Физики охладили это круговое движение до основного квантового состояния и микроволнами переводили частицу между уровнями энергии по одному кванту. Они регистрировали скачки и перевороты спина, не разрушая сами состояния.
Согласно фундаментальной CPT-симметрии магнитные моменты электрона и позитрона должны совпадать по величине и различаться знаком. Момент электрона эта же группа физиков в 2023 году измерила с точностью до триллионной доли. Теперь очередь позитрона. Если величины совпадут, это станет самым точным подтверждением CPT-инвариантности Стандартной модели. Результат авторы надеются получить в начале следующего года. Но и полное согласие с теорией только углубит одно из главных загадок физики: почему модель, настолько точно предсказывающая измерения, не объясняет, куда исчезло антивещество, родившееся при Большом взрыве.
Загружаем